教育信息化背景下高校智慧實驗室的構建研究

王寶祥 潘超

DOI：10.19850/j.cnki.2096-4706.2021.09.045

摘? 要：實驗室是鍛煉學生動手能力，增強實踐能力和科研能力的重要場所。智慧實驗室是未來實驗室發(fā)展的必然趨勢，近年來引起各大高校的廣泛關注。文章分析了傳統(tǒng)高校實驗室管理和使用過程中存在的問題，深入研究了智慧實驗室的體系框架及構建的關鍵技術，基于新一代信息技術設計了一套智慧實驗室的構建技術方案，以期為高校智慧實驗室的建設和研究提供借鑒。

關鍵詞：教育信息化;高校;智慧實驗室;實驗室建設

中圖分類號：TP39;G434? 文獻標識碼：A 文章編號：2096-4706（2021）09-0175-05

Research on the Construction of Intelligent Laboratory in College under the Background of Educational Informatization

WANG Baoxiang，PAN Chao

（Technology and Media University of Henan Kaifeng，Kaifeng? 475004，China）

Abstract：Laboratory is an important place to exercise studentshands-on ability and enhance practical ability，scientific research ability. The intelligent laboratory is the inevitable trend of the future development of laboratory，it has attracted great attention in recent years. This paper analyzes the problems existing in the management and use of traditional college laboratory，deeply studies the system framework and key technologies of intelligent laboratory，designs the construction technology scheme of intelligent laboratory based on the new generation of information technology，in order to provide reference for the construction and research of college intelligent laboratory.

Keywords：educational informatization;college;intelligent laboratory;laboratory construction

0? 引? 言

《中國教育現(xiàn)代化2035》提出更加注重培養(yǎng)應用型、復合型、技術技能型人才，充分發(fā)揮實驗室的作用，將實驗教學信息化作為高等教育系統(tǒng)性變革的內(nèi)生變量，以高質量的實驗教學，助推教育現(xiàn)代化。實驗室是高校開展實踐課程、進行科學研究、培養(yǎng)創(chuàng)新型人才的重要場所^[1]。隨著新的信息化技術的不斷發(fā)展，高校信息化建設進入了深水區(qū)^[2]。2020年突發(fā)的新冠疫情給各高校信息化提出了新的挑戰(zhàn)，教學活動尤其是實驗教學遇到的困難最大，泛在學習將成為新常態(tài)，教育的融合創(chuàng)新是必然選擇，也是推動教育信息化引領教育現(xiàn)代化的內(nèi)在要求。

隨著5G技術的持續(xù)商用，物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計算、人工智能等信息技術進入一個新的發(fā)展機遇期，如何利用這些新技術，實現(xiàn)與高校實驗教育教學的深度融合，促進實驗教學的高質量快速發(fā)展，培養(yǎng)具有高素質的創(chuàng)新型人才，成為當前高校信息化建設的重要發(fā)展方向。

1? 智慧實驗室概述

1.1? 實驗室現(xiàn)狀

隨著高校信息化建設的不斷發(fā)展，作為實踐能力和人才培養(yǎng)的重要場所，高校實驗室的信息化程度也在不斷提升，有效提高了實驗教學質量和管理服務水平。由于在實驗室建設初期缺乏統(tǒng)一規(guī)劃，以及相關人員信息素養(yǎng)的欠缺，致使在后期的管理和使用過程中逐漸暴露出以下問題：（1）管理自動化程度不夠，設備難以跟蹤、定位，出現(xiàn)問題難以得到及時解決。（2）實驗室安全隱患大，未實現(xiàn)對實驗室內(nèi)部環(huán)境的全面實時監(jiān)測和預警。（3）智能化程度不足，易造成資源的浪費。（4）實驗資源難共享，存在“信息孤島”。（5）缺少共享共建，造成儀器設備的低水平重復建設和實驗室的利用率低下。（6）師生之間缺乏互動，學生參與感不強，體驗差。（7）缺少實驗資源平臺和實驗教學資源的收集、分析和存儲，造成實驗教學資源浪費。

隨著大數(shù)據(jù)、人工智能、云計算、物聯(lián)網(wǎng)及移動互聯(lián)網(wǎng)等新技術的飛速發(fā)展，為高校智慧實驗室建設帶來了新的機遇，如何融合新技術服務于高校的實驗教育教學和管理工作，從而推進高校實驗教學改革和信息化建設，是大多數(shù)高校當前面臨的重要課題。

1.2? 智慧實驗室

國內(nèi)外關于智慧實驗室的研究有很多。中國工程院朱蓓薇院士在2017年中德智慧實驗室建設與發(fā)展高峰論壇上，指出智慧實驗室是對傳統(tǒng)實驗室的改造升級，是融合新一代信息技術，讓實驗室為師生提供更加高效、安全、便捷的服務^[3]。李楠利用了物聯(lián)網(wǎng)技術，基于PHP+Apache+MySQL框架，按照由數(shù)據(jù)采集層、數(shù)據(jù)傳輸層和應用程序層組成的系統(tǒng)總體架構，設計并開發(fā)了一款高校智慧實驗室設備管理系統(tǒng)，實現(xiàn)了實驗室環(huán)境管控、設備智能化管理等功能，有效地提高了實驗室的管理效率和水平^[4]。

目前，關于智慧實驗室尚未有一個明確的定義^[5]，但普遍認為智慧實驗室是運用先進的互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)，云計算、大數(shù)據(jù)、人工智能、移動應用等技術，為師生創(chuàng)造一個安全、節(jié)能、智能的實驗教學環(huán)境，提供智慧化的管理、多樣化的教學模式和個性化的服務。智慧實驗室將改變傳統(tǒng)高校實驗室重復建設、利用率低、管理不便等現(xiàn)狀，實現(xiàn)實驗環(huán)境安全可控、實驗管理智能管控、實驗資源共享共建、實驗教學多樣化、實驗學習泛在化。智慧實驗室是智慧校園的重要組成部分，是各類型實驗室發(fā)展的重要方向。

2? 智慧實驗室設計

2.1? 智慧實驗室設計思路

智慧實驗室的設計，以服務師生為主旨，以“統(tǒng)籌規(guī)劃、統(tǒng)一標準、共建共享、融合創(chuàng)新、規(guī)范管理”為原則，以“支撐實驗業(yè)務為驅動、進行技術應用和創(chuàng)新”為要求，以提升學生的動手實踐能力和科研創(chuàng)新能力為目標，按照數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)應用的全生命周期的管理思路進行設計，將新一代的物聯(lián)網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)、云計算和智能設備與實驗室建設進行融合創(chuàng)新，建設服務于實驗教學全過程的智慧實驗教學云平臺，最終達到實驗環(huán)境智慧化、實驗管理智能化、實驗教學多樣化，讓老師更輕松地教學，讓學生更高效地學習，讓管理人員更方便地管理。

實驗教學云平臺采用模塊化架構進行設計，云平臺應具有易用性、可靠性、可維護性、可擴展性等特征，充分利用5G、IPv6、人工智能等新技術全面支撐實驗教學的信息環(huán)境，實現(xiàn)場景化、個性化、沉浸式、互動式的創(chuàng)新教學方式，實現(xiàn)基于大數(shù)據(jù)分析的服務能力，實現(xiàn)實驗室的業(yè)務規(guī)范化、管理智慧化、教學多樣化、服務個性化，提供實驗學習線上線下融合、物理虛擬融合的泛在化服務能力，實現(xiàn)“面向管理”到“面向服務”的管理服務模式轉變，提升師生實驗教學體驗感和滿意度。

2.2? 智慧實驗室體系框架

在教育信息化背景下，各高校應重視智慧實驗室建設對實驗教學改革的支撐與服務作用，融合信息技術，逐步解決實驗教學過程中遇到的重點、難點問題，不斷創(chuàng)新實驗教學理念，不斷改革實驗教學方式，不斷優(yōu)化實驗教學模式，加強培養(yǎng)學生的動手實踐和創(chuàng)新能力，以及解決實際問題的能力。

通過對智慧實驗室內(nèi)涵分析研究，按照智慧實驗室的設計思路，基于云計算架構和模塊化的設計理念，搭建高校智慧實驗室的總體架構模型，如圖1所示。

2.2.1? 基礎設施層

基礎設施層是智慧實驗室的基礎設施保障，實現(xiàn)對實驗室環(huán)境的全面感知及信息采集，為大數(shù)據(jù)平臺的數(shù)據(jù)分析提供數(shù)據(jù)支撐，為基于智慧實驗室的各種應用提供基礎支撐。

實驗室基礎設施提供實驗教學物理層面的支撐，主要由實驗室的物理空間、環(huán)境傳感器、智能終端、RFID裝置和控制系統(tǒng)等構成?；A設施設計時應注意，實驗室的物理空間要求規(guī)劃科學、簡明整潔、設計合理、方便使用;環(huán)境傳感器、M2M終端要求采用穩(wěn)定性強、易安裝維護、靈敏度高、響應速度快且支持開放協(xié)議的工業(yè)級產(chǎn)品，支持主流RFID讀卡功能;水、電、空調(diào)、新風系統(tǒng)要求符合實驗室相應國家標準且使用方便、安全可靠;照明系統(tǒng)要求能根據(jù)實驗室的具體環(huán)境進行自動調(diào)節(jié)，健康、節(jié)能、環(huán)保。

網(wǎng)絡基礎設施主要由網(wǎng)絡通信設備、互聯(lián)網(wǎng)關等設備組成，提供實驗室基礎設施和實驗教學設施之間的通信功能。

實驗教學設施是進行實驗教學的輔助工具，正確有效地利用這些教學設施，可以實現(xiàn)多樣化教學，提升學生參與感的基礎。主要包括多屏顯示設備、智能控制設備、音響設備、錄播設備、儀器設備、觸控設備、監(jiān)控設備、可穿戴設備等。

2.2.2? 網(wǎng)絡傳輸層

網(wǎng)絡傳輸層的主要功能是提供網(wǎng)絡的接入和數(shù)據(jù)的傳輸。通過有線網(wǎng)絡、無線網(wǎng)絡、物聯(lián)網(wǎng)絡、4G/5G等網(wǎng)絡連接方式，實現(xiàn)實驗室中物與物、人與物、人與人之間的全面互聯(lián)、互通與互動，實現(xiàn)物理空間和信息空間的無縫對接，為智慧實驗室各類應用或服務提供泛在、便捷的網(wǎng)絡支撐，為智慧實驗室提供信息獲取、傳輸和實時服務能力。

通過環(huán)境傳感器和M2M終端等物聯(lián)網(wǎng)設備，借助物聯(lián)網(wǎng)接入到互聯(lián)網(wǎng)，實現(xiàn)對實驗室環(huán)境的實時監(jiān)測、監(jiān)控，出現(xiàn)異常情況時，可通過實驗室綜合管理云平臺將告警信息直接推送給相關負責人，從而保證實驗室環(huán)境安全。智慧實驗室通過ZigBee網(wǎng)絡和紅外，遠程控制實驗室內(nèi)的水電、溫濕度、新風系統(tǒng)、窗簾等智能設備。通過網(wǎng)絡層提供的不同類型的網(wǎng)絡方式實現(xiàn)互聯(lián)互通，用戶使用手機、筆記本電腦等移動終端，可以實時查看實驗室的監(jiān)測數(shù)據(jù)，可以對監(jiān)測設備或傳感器進行遠程控制，可以隨時隨地訪問實驗室的開放資源，為學校廣大師生創(chuàng)造一個安全、節(jié)能、舒適、智慧的實驗學習環(huán)境。

2.2.3? 支撐平臺層

支撐平臺層是體現(xiàn)智慧實驗室及其服務能力的核心層，為智慧實驗室的各類應用服務提供渠道和數(shù)據(jù)支撐，包括云桌面、統(tǒng)一身份認證、大數(shù)據(jù)分析、直播錄播、數(shù)據(jù)庫存儲等服務。

基于大數(shù)據(jù)和云計算的大數(shù)據(jù)平臺，按照行業(yè)信息化數(shù)據(jù)標準，對實驗教學信息資源進行整合、挖掘、分析，實現(xiàn)實驗數(shù)據(jù)的互聯(lián)、互通、開放、共享，為實驗室的精準管理、科學決策、個性化服務提供數(shù)據(jù)支撐。通過智慧錄播系統(tǒng)，將優(yōu)質的實驗教學課程制成高清視頻上傳到實驗室管理云平臺上，學生可以不受時間空間的限制，隨時查看、回放教師的操作過程，更好的、獨立的完成實驗，提高動手實踐能力。

2.2.4? 應用平臺層

應用平臺層是智慧實驗室應用與服務的內(nèi)容體現(xiàn)，在支撐平臺層的基礎上，實現(xiàn)的智慧實驗室在環(huán)境、設備、教學資源和教學等方面的管理功能，為師生提供泛在的服務。應用平臺層通過系統(tǒng)接口、協(xié)議集成不同業(yè)務的應用子系統(tǒng)，構建一個綜合的實驗室綜合管理平臺，實現(xiàn)對智慧實驗室的高效管理和智慧運營。

2.2.5? 智慧實驗室運營機制

標準規(guī)范和保障體系是智慧實驗室建設的重要支撐和基礎條件，標準規(guī)范主要包括基礎設施標準規(guī)范、網(wǎng)絡傳輸標準規(guī)范、信息標準規(guī)范、應用標準化體系等，保障體系主要由實驗室人員隊伍、實驗室規(guī)則制度、實驗室經(jīng)費保障機制、運營維護服務和評價體系等組成。智慧實驗室安全體系主要包括實驗室物理安全、基礎設施安全、實驗室系統(tǒng)安全、網(wǎng)絡安全、數(shù)據(jù)安全、應用安全和安全管理等，為智慧實驗室提供安全保障。

3? 智慧實驗室主要技術方案

3.1? RFID技術

射頻識別（RFID）技術是一種能夠準確、高效地進行信息采集與處理的通信技術，通過射頻信號實現(xiàn)對實體對象進行唯一有效的識別，通過無線局域網(wǎng)傳輸數(shù)據(jù)，具有實時采集更新信息、存儲信息量大、使用壽命長、工作效率高等特點，被廣泛用于物流、身份識別、資產(chǎn)管理、安全控制等領域^[6]。

基于RFID技術的設備智能管理系統(tǒng)，可以對帶有RFID標簽的儀器設備信息實時進行監(jiān)控、跟蹤，通過集成RFID讀寫器的AP定時上傳儀器設備的位置信息、狀態(tài)信息、電流大小等，實現(xiàn)對設備的智能管控，為設備的采購、評估、管理提供數(shù)據(jù)支撐。RFID系統(tǒng)與人臉識別系統(tǒng)對接，實現(xiàn)對多種身份的識別，提升實驗室管理、服務和教學以及實驗室設備的智能化水平。

3.2? 智能動環(huán)系統(tǒng)

實驗室是高校進行實驗教學、科研實踐的重要場所，必須對實驗室的運行環(huán)境、安全因素進行全面的監(jiān)控和管理，才能保證實驗過程的安全、穩(wěn)定，以及實驗結果的準確。融合互聯(lián)網(wǎng)+與物聯(lián)網(wǎng)技術的實驗室動環(huán)系統(tǒng)，實現(xiàn)對實驗室內(nèi)的人員、基礎設施、儀器設備、實驗室環(huán)境、水電情況等進行有效的感知識別和自動控制。

智能動環(huán)系統(tǒng)由物聯(lián)網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)關、智能終端、服務器等組成。智能動環(huán)系統(tǒng)中的環(huán)境傳感器、智能終端，通過物聯(lián)網(wǎng)將采集到的實驗環(huán)境、設備運行狀態(tài)等信息通過互聯(lián)網(wǎng)關傳輸?shù)椒掌?，管理人員使用終端通過互聯(lián)網(wǎng)、移動互聯(lián)網(wǎng)登錄服務器管理端，對實驗室的環(huán)境和設備進行查看、控制。管理人員可以在后臺管理頁面中設置異常情況，當實驗室環(huán)境或設備情況出現(xiàn)異常時，系統(tǒng)自動將預警信息以短信、電話通知、微信、郵件等多種形式發(fā)送或通知給指定人員，讓實驗室安全得到實時的保障。

3.3? 智慧錄播系統(tǒng)

高校的實驗課程通常都是在實驗室現(xiàn)場操作或演示的方式進行，受現(xiàn)場條件的限制，存在學生看不清、看不懂的情況。智慧錄播系統(tǒng)通過應用廣播級音視頻處理技術與電視語言AI導播技術，配合廣播級攝像機與4K超高清攝像機，將教師的現(xiàn)場操作以及與學生的互動過程全方位、多角度、完整地記錄下來，并將錄制的視頻自動同步到云平臺，形成優(yōu)質的實驗教學資源。

智慧錄播系統(tǒng)支持多角度全景記錄，教師移動自動跟拍，學生討論自動巡視，可以適應不同的教學模式。通過人臉識別、體態(tài)識別等，自動篩選優(yōu)質鏡頭、自動調(diào)整畫面構圖與人像比例。系統(tǒng)支持網(wǎng)絡直播，可與主流視頻平臺對接，支持遠程同步授課，實現(xiàn)跨校區(qū)授課。學生不僅可以通過網(wǎng)絡同步觀看現(xiàn)場直播，遠程參與互動，還可以在課后查看、回放教師的操作視頻，獨立的完成課程實驗。

3.4? 智慧實驗教學平臺

基于云計算技術建設以視頻為手段、以分析為方法、以數(shù)據(jù)為核心，開放、互動、智慧的實驗教學云平臺，服務智慧實驗室的管理與建設。智慧實驗教學平臺部署在云端服務器，采用B/S架構，基于SpringBoot和Vue框架，采用MySQL數(shù)據(jù)庫，Redis緩存，前后端分離等技術實現(xiàn)。實驗教學云平臺由基礎信息平臺、實驗教學管理平臺、智分析平臺、智能互動平臺、資源管理平臺、智慧錄播等系統(tǒng)組成，如圖2所示。

其中，實驗教學云平臺的智分析平臺，是基于Hadoop等技術的大數(shù)據(jù)分析平臺，對師生實驗教學互動和學生實驗過程的大數(shù)據(jù)開展多維度、實時全面、智能化的分析挖掘，指導學校不斷改進實驗教學方法、變革人才培養(yǎng)模式、提升管理水平、提高教學質量。

3.5? 沉浸式學習空間

實驗學習空間是開展實驗學習活動的區(qū)域，設計實驗室學習空間是幫助學生在實驗環(huán)境中產(chǎn)生學習的意愿，通過相應的學習行為，提高實驗教學質量。

沉浸式實驗學習空間是利用沉浸式技術，為學生構建一個將現(xiàn)實環(huán)境與虛擬環(huán)境融為一體的沉浸式學習環(huán)境，提供深度互動和智能化實驗教學服務，為實驗教學形式多樣化、學習方式個性化提供環(huán)境支持^[7]。沉浸式實驗學習空間涉及的技術主要包括人工智能、5G、大數(shù)據(jù)、擴展現(xiàn)實（XR）、數(shù)字孿生（DT）、情感計算、觸覺反饋、擬像搭建、手勢識別技術、全息、360度視頻等，這些信息技術的有效融合和利用，可以為師生創(chuàng)建一個實驗體驗感強、交互程度高的沉浸式實驗環(huán)境;為學生提供一個身臨其境的實驗觀察環(huán)境，以及提供智能提醒、智能推薦的多樣化服務，增強了實驗教學的課堂互動和情景式體驗。

3.6? 云桌面系統(tǒng)

云桌面技術是一種利用虛擬技術，將服務器的硬件資源進行虛擬化處理，提升資源利用率，節(jié)約建設成本。云桌面技術的出現(xiàn)為高校實驗室教學的快速發(fā)展帶來了更多機遇，基于云桌面技術的實驗室管理平臺，降低了維護和部署成本，提高了實驗教學投資回報率。當前主流的云桌面技術有RDS、VDI、IDV、VOI四種解決方案，四種方案各具優(yōu)缺點。其中，VDI部署方案具有桌面移動性好、集中管理控制易操作等優(yōu)點，成為當前智慧實驗室云桌面使用較多的部署方案。各高校在選擇部署方案時，應根據(jù)實驗室對運算性能、圖像處理、運維管控等多方面的要求，選擇合適的云桌面部署方案。

隨著實驗場景的復雜多變，單一桌面虛擬化技術無法滿足復雜應用場景業(yè)務需要，提供對多種云桌面技術兼容是云桌面發(fā)展的一個方向。如銳捷網(wǎng)絡三擎桌面云解決方案，通過超融合平臺，搭載全新終端云化（TCE）、桌面云化（DCE）、應用云化（ACE）三大引擎，構建桌面云平臺，提供對VDI、IDV、VOI技術能力的支撐，為不同業(yè)務應用場景提供相匹配的解決方案，實現(xiàn)一致的運維、管理和使用體驗，降低了投入成本，系統(tǒng)界面如圖3所示。

4? 結? 論

教育信息化背景下，融合5G、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計算、區(qū)塊鏈、人工智能、虛擬現(xiàn)實等信息技術，以提高學生的實踐能力和創(chuàng)新能力為核心，以實驗教學項目為基礎，建設智慧實驗室是高校實驗室發(fā)展的必然方向。本文提出的智慧實驗室體系框架，將實驗教學相關的各要素聯(lián)系起來，為師生打造一個綠色安全、節(jié)能環(huán)保、智能舒適、共享開放、泛在智能的實驗環(huán)境。隨著信息技術的迅猛發(fā)展，智慧實驗室體系框架將持續(xù)得到完善，不斷創(chuàng)新實驗室管理模式和實驗教學方式，逐步發(fā)展演進并形成實驗環(huán)境智慧、實驗教學效果良好、實驗教學資源共享開放的高校實驗教學體系，推動實驗教學高質量發(fā)展。

參考文獻：

[1] 張麗華.大數(shù)據(jù)背景下高校智慧實驗室的建構 [J].華北水利水電大學學報：社會科學版，2021（2）：44-49.

[2] 王世新.高校信息化建設進入深水區(qū) [EB/OL].[2021-4-13].https：//www.edu.cn/info/xy/xytp/202104/t2021041 3_2095778.shtml.

[3] 儀器信息網(wǎng).2017中德智慧實驗室建設與發(fā)展高峰論壇于盤錦召開 [EB/OL].（2017-8-24）.https：//www.instrument.com. cn/news/20170824/227478.shtml.

[4] 李楠.基于物聯(lián)網(wǎng)技術的高校智慧實驗室設備管理系統(tǒng)的設計與實現(xiàn) [J].信息技術與信息化，2021（3）：202-205.

[5] 吳慶州，王濤，徐春燕，等.信息化時代構建智慧型物理實驗室的研究 [J].實驗技術與管理，2020，37（4）：261-264.

[6] 趙越，耿艷棟.一種基于RFID的機房裝備智能化管理技術 [J].計算機仿真，2021，38（7）：331-335.

[7] 楊彥軍，張佳慧.沉浸式虛實融合環(huán)境中具身學習活動設計框架 [J].現(xiàn)代遠程教育研究，2021，33（4）：63-73.

作者簡介：王寶祥（1975—），男，漢族，河南開封人，講師，碩士，研究方向：計算機應用技術、高校信息化;潘超（1985—），男，漢族，河南開封人，軟件設計師，碩士，研究方向：大數(shù)據(jù)、高校信息化。

收稿日期：2021-04-03

基金項目：河南開封科技傳媒學院教育教學改革研究與實踐項目（KCJG-2021C-017）